4. Гидрогеологические расчеты дренажа городских и промышленных территорий

4.1. Особенности расчета дрен при работе дренажа

В промышленном и городском хозяйстве подземный дренаж широко применяют как при освоении обводненных территорий под строительство инженерных сооружений, так и при эксплуатации уже застроенных территорий.

Подтопление территорий может быть вызвано природными и техногенными факторами. Назовем основные:

 инфильтрация ливневых и талых вод в естественных условиях;

 подпор напорных и грунтовых вод в период сезонных и годовых повышений их уровня;

 влияние вод капиллярной каймы зоны аэрации;

 поступление подземных вод со стороны водоразделов или поверхностных водотоков (рек, озер) к территории объекта;

 инфильтрация ливневых и талых вод в грунт на неблагоустроенных территориях, утечка воды из водопроводных сетей и неупорядоченное орошение зеленых насаждений;

Для борьбы с подтоплением территорий применяется подземный дренаж, проводимый с помощью вертикальных скважин и горизонтальных дрен. В процессе осушения городских территорий необходимо понизить статический уровень подземных вод на задаваемую величину – норму осушения h_оc. Норме осушения соответствует величина понижения, при которой сдренированный уровень подземных вод располагался бы ниже оснований инженерных сооружений не менее чем на 0,5 м. В зависимости от расположения дренажных сооружений по отношению к защищаемому объекту и «очага» подтопления выделяют систематический, головной, береговой и контурный дренажи [2, 8].

Систематический дренаж представляет собой системы горизонтальных дрен или вертикальных скважин, располагаемых более или менее равномерно по всей дренируемой площади.

Головной дренаж применяется при подтоке подземных вод к объекту со стороны водораздельных участков. Для полного или частичного перехвата подземных вод такой дренаж обычно состоит из горизонтальной дрены, закладываемой по верхней (по отношению к потоку подземных вод) границе дренируемого участка. Береговой дренаж по принципу своей работы аналогичен головному дренажу и предназначен для перехвата подземных вод, фильтрующихся к объекту со стороны реки или водохранилища.

Контурный (кольцевой) дренаж применяют для защиты отдельных инженерных сооружений или участков, на которых располагается группа таких сооружений.

Гидрогеологические расчеты дренажных систем во многом определяются гидрогеологическими условиями участков, защищаемых от подтопления: граничными условиями фильтрационного потока, степенью фильтрационной неоднородности дренируемого пласта и т.п. [2, 5, 7].

Систематический дренаж. Расчет систематического дренажа с помощью горизонтальных дрен совершенного типа сводится к определению оптимального расстояния между дренами, работа которых обеспечивала бы требуемую норму осушения. Для условий безнапорного водоносного горизонта расстояние между дренами [8]

(28)

где h₀ – остаточная максимальная мощность водоносного горизонта грунтовых вод, вызванная работой дрен; h_д – глубина воды в дрене; k и  – коэффициенты фильтрации и инфильтрации грунтового водоносного горизонта соответственно.

Удельный расход воды, поступающей в дрену (на 1 м ее длины), определяется количеством инфильтрующихся в водоносный горизонт атмосферных осадков:

q = L. (29)

При этом расход воды, поступающей во всю дрену длиной l,

Q = ql. (30)

Контурный дренаж. Для расчета контурных дренажей промышленных объектов или отдельных участков городской застройки, в случае их реализации в виде контура вертикальных скважин, широко привлекается метод «большого колодца», согласно которому при расчетах защищаемая от подтопления территория заменяется равновеликим по площади фиктивным колодцем радиусом r_к.

Для территории, близкой по форме к квадратной,

(здесь F – площадь защищаемой от подтопления территории), для объектов прямоугольной формы

,

где  – коэффициент приведения, меняющийся от 1,05 (при b/a = 0,05) до 1,17 (при b/a = 0,5); b и a – соответственно ширина и длина осушаемой территории.

Суммарный расход дренажных скважин для условий напорной фильтрации

, (31)

где T – коэффициент водопроводимости напорного пласта; S – понижение уровня воды в центре «большого колодца»; R – расчетный радиус влияния откачки.

В пластах с фиксированными границами для оценки радиуса R предложены аналитические зависимости для типовых граничных условий [5]. Для условий неустановившейся фильтрации

,

где a^ – коэффициент пьезопроводности осушаемого пласта; t – время работы дренажных скважин.

Последовательность расчета контурного дренажа следующая:

1) по формуле (31), в которой величина S задается с учетом требуемой нормы осушения, определяют суммарный приток ко всем дренажным скважинам;

2) выбирают марку погружного насоса типа ЭЦВ, по производительности которого задается нагрузка на каждую сква­жину Q_с;

3) рассчитывают количество равномерно распределенных по контуру сооружения скважин, работа которых обеспечит требуемое снижение уровня воды (норму осушения), n = Q_сум/Q_с;

4) используя метод сложения течений, уточняют величину понижения уровня в наиболее опасных точках (например, в центре осушенной территории) и при необходимости вносят коррективы в режим работы скважин.